Sistema de control de inercia para aerogenerador.

Sistema de control de inercia para aerogenerador que comprenden un rotor (5),

un generador (12) dirigido por el rotor (5) que interactúa con un convertidor de potencia (13) para generar energía eléctrica, un controlador para el aerogenerador (15) que comprende un controlador de cambio de paso (19) de pala y un controlador de la potencia generada (18), un controlador para el convertidor de potencia (14) que interactúa con el controlador del aerogenerador (15), caracterizado porque consta de un bloque emulación de inercia (17) que genera una señal de potencia extra (32) negativamente proporcional a la tasa de cambio de frecuencia (23) que es añadida a la referencia de potencia del controlador de potencia generada del controlador del aerogenerador (15) y adapta la referencia de velocidad rotativa del controlador de aerogenerador (15) de acuerdo con la frecuencia de red (21) de cara a evitar distorsiones en la salida de potencia activa después de la adición o sustracción de potencia proporcionalmente a la tasa de cambio de frecuencia (23).

SISTEMA DE CONTROL DE INERCIA PARA AEROGENERADORES Objeto de la invención.

La presente invención está relacionada con el control de la entrega de potencia de los parques eólicos a la red eléctrica y más concretamente con un sistema de control de inercia de un parque de aerogeneradores que comprende un controlador de inercia que define y comunica referencias a los aerogeneradores que forman parte de dicho parque eólico, y que proporciona el valor de una constante de inercia configurable en los aerogeneradores del parque.

Antecedentes de la invención.

Los aerogeneradores convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica que es transmitida a una subestación del parque de aerogeneradores. Dicho parque de aerogeneradores consta al menos de un controlador de parque y al menos de un aerogenerador que comprende un rotor, un generador conducido por dicho rotor ,que interactúa con un convertidor de potencia para generar energía eléctrica, un controlador del aerogenerador que comprende un controlador del ángulo de paso de pala y un controlador de potencia generada, un controlador del convertidor de potencia que interactúa con el controlador del aerogenerador y un sistema de regulación que coordina los diferentes controladores del aerogenerador en función de una serie de parámetros como la velocidad de giro de la turbina o la frecuencia de red.

Generalmente, en un aerogenerador, la góndola aloja diferentes componentes junto con un eje de transmisión que convierte la energía mecánica en eléctrica mediante un generador que interactúa con un convertidor de potencia. Por eje de transmisión de un aerogenerador se entiende el ensamblaje entre el rotor, el eje del rotor, la multiplicadora, el eje

del generador y el generador.

El controlador del aerogenerador tiene la misión de maximizar la generación de potencia activa hasta un máximo potencia predefinido y mantener un modo de funcionamiento seguro que evite daños tanto personales como en el aerogenerador. Este controlador del aerogenerador define un ángulo de paso de pala, enviado al actuador de cambio de paso para mover las palas a su posición correcta, y un punto de referencia de potencia activa que supone una referencia para el controlador del convertidor ubicado en la unidad de control del convertidor.

Hoy en día, el impacto de la conexión de los aerogeneradores a la red eléctrica es ineludible por lo que los operadores de red están endureciendo cada vez más las condiciones de conexión a red de los aerogeneradores. Algunos de estos requerimientos están definidos en términos de transitorios de frecuencia que los aerogeneradores deben ser capaces de soportar sin desconectarse de la red e incluso reaccionar de cara a ayudar al sistema a recuperar la frecuencia de red a sus valores nominales prefijados.

Particularmente, los operadores de los sistemas de transmisión están preocupados por los transitorios de frecuencia que generalmente son causados por la desconexión del generador, de cargas o incluso de parte del sistema de transmisión, lo que causa un repentino cambio de la frecuencia de red fuera de sus valores nominales, debido a la diferencia entre la potencia activa producida y la potencia activa consumida. Este cambio en la frecuencia, precisa de una muy rápida respuesta, de forma que se evite que la frecuencia salga de sus rangos máximos y se produzca una desconexión en cascada de generadores y consumidores eléctricos.

Hay diferentes niveles de respuesta en los generadores y la red de cara a corregir la frecuencia de red, en el caso de una repentina caída o incremento de frecuencia. Una primera respuesta es una respuesta natural del generador convencional, que consiste en entregar una potencia

instantánea debida a la energía rotativa almacenada en los ejes, a esto se le denomina respuesta inercial. Una segunda respuesta es la dada por un controlador específico que incrementa la generación de potencia proporcionalmente a la desviación de la frecuencia de red respecto de la frecuencia nominal, esto requiere de unos 15 a 60 segundos, y permite detener la frecuencia en su ascenso/descenso. Sin embargo no permite retornar al valor de frecuencia nominal, esta respuesta se denomina respuesta primaria. La tercera y cuarta respuestas son las denominadas respuestas secundarias o terciarias que se basan en gestionar la generación de potencia activa desde generadores, incluyendo el arranque de unidades de generación, que se encuentran detenidas, con objeto de mover el valor de la frecuencia de red hasta el valor de frecuencia nominal.

En este sentido, en relación a la respuesta inercial, las plantas de potencia convencionales que usan máquinas síncronas como generadores, se encuentran rígidamente conectadas a la red, por lo que un cambio en la frecuencia se traduce directamente en un cambio proporcional de la velocidad de giro de la turbina. En este sentido, la inercia mecánica del generador síncrono juega un papel importante ya que dicha inercia puede verse como una conversión de la energía cinética de una masa rotativa en energía eléctrica entregada a la red, ayudando a la red a reducir la caída/incremento de la frecuencia.

La conversión de energía cinética en eléctrica puede expresarse en generación de potencia activa, es decir, la energía rotativa es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación de la turbina, que es proporcional a la frecuencia de red. Como la potencia es la cantidad de energía por unidad de tiempo, la potencia entregada, debido al cambio de la frecuencia, puede expresarse, mediante deducción matemática, como negativamente proporcional a la tasa de cambio de frecuencia.

Sin embargo, los aerogeneradores de velocidad variable no disponen de esta respuesta "natural" (respuesta inercial) a los cambios de la

frecuencia de red, porque el controlador electrónico del convertidor desacopla la frecuencia de la velocidad de rotación del generador. Entonces, los aerogeneradores no reducen naturalmente su velocidad en relación a la frecuencia y no entregan esta energía moviendo el rotor. Los aerogeneradores de velocidad variable no amortiguan la caída/incremento de la frecuencia.

Dado que la energía eólíca está comenzando a ser una parte importante del sistema eléctrico, la incapacidad de proporcionar una respuesta inercial conduce a una reducción de la inercia del sistema y, por lo tanto, a un incremento de las caídas/incrementos de frecuencia. En este sentido, se deben tomar medidas para evitar esta falta de respuesta inercial de los aerogeneradores que puede conllevar a mayores problemas en la red eléctrica debidos a caídas/incrementos de frecuencia.

Los aerogeneradores con control de inercia pueden ayudar a suavizar los cambios de frecuencia y, por lo tanto, ayudar a restaurar la frecuencia del sistema y prevenir, después de una gran caída de la frecuencia, la caída de carga. Para los aerogeneradores, la aproximación conceptual pasa por incrementar la potencia activa e introducirla en la red eléctrica de forma dinámica y rápida, en unos segundos, usando la inercia de las palas rotativas. En este sentido se han encontrado diversas aproximaciones en la literatura científica y de patentes.

El documento "Frequency behavior of grid with high penetration rate of wind generation" (J. Duval, B. Meyer; 2009 IEEE Bucharest Power Tech Conference, June 28th - July 2nd, Bucharest, Romanía) describe la adicción de una potencia inercial extra a la referencia al convertidor, de la potencia activa del controlador del aerogenerador. Esta potencia activa extra es calculada como proporcionalmente negativa a la tasa de cambio de frecuencia, con un parámetro que define su proporcionalidad. Sin embargo, la entrega de potencia cae rápidamente después de esto. Esta caída de potencia entregada se debe a dos factores; la deceleración del rotor del

aerogenerador, que provoca un decremento de la referencia de potencia activa del controlador del aerogenerador, y a que el controlador del aerogenerador controla la potencia de acuerdo con la desviación de la velocidad de la turbina respecto de una velocidad de referencia. Como el aerogenerador se decelera y se desvía de la velocidad de referencia, la potencia debe ser reducida de cara a recuperar la velocidad de referencia. Esto es lo que se denomina en términos de red como un "periodo de recuperación" después de la entrega de inercia e introduce incertidumbres en el comportamiento del parque de aerogeneradores en términos de respuesta frecuencial e, incluso, puede causar una no deseada caída de frecuencia después de esta respuesta inercial.

La patente W02011/000531A2 y el documento "Variable Speed Wind Turbines Capability for Temporary Over-Production" (Tarnowski, G.C., Kjar, P.C.,...

1.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores del tipo que comprenden un rotor (5), un generador (12) dirigido por el rotor (5) que interactúa con un convertidor de potencia (13) para generar energía eléctrica, un controlador para el aerogenerador (15) que comprende un controlador de cambio de paso (19) de pala y un controlador de la potencia generada (18), un controlador para el convertidor de potencia (14) que interactúa con el controlador del aerogenerador (15), caracterizado porque consta de un bloque emulación de inercia (17) que genera una señal de potencia extra (32) negativamente proporcional a la tasa de cambio de frecuencia (23) que es añadida a la referencia de potencia del controlador de potencia generada del controlador del aerogenerador (15) y adapta la referencia de velocidad rotativa del controlador de aerogenerador (15) de acuerdo con la frecuencia de red (21) de cara a evitar distorsiones en la salida de potencia activa después de la adición o sustracción de potencia proporcionalmente a la tasa de cambio de frecuencia (23).

2 - Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según la primera reivindicación, caracterizado porque la relación proporcional entre la salida de extra de potencia (32) del bloque emulación de inercia (17) y la tasa de cambio de frecuencia es una constante de inercia que es dependiente de la inercia mecánica, la velocidad rotativa de la turbina y la potencia activa, y un parámetro K¡nertiapar definido localmente o por un controlador remoto.

3.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según la primera reivindicación, caracterizado porque la potencia activa extra (32) está previamente limitada en el bloque de limitación de potencia extra (29) según un parámetro configurable y la potencia no entregada, debido a la limitación, es acumulada en un elemento (30) cuyo valor acumulado previa multiplicación por una constante parametrizable se añade a la potencia activa extra (28).

4.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la referencia de la velocidad rotativa del controlador del aerogenerador (15) es adaptada (47) proporcionalmente al cambio de la frecuencia (21) dividido por la frecuencia nominal y por K¡nert¡apar. (25).

5.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según la primera reivindicación, caracterizado porque, donde la adaptación de la velocidad de referencia (46) del controlador del aerogenerador (15) está limitada en su tasa de cambio (43) de forma proporcional al parámetro que limita la potencia activa añadida o sustraída (32).

6.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según la primera reivindicación, caracterizado porque la adaptación de la velocidad de referencia (46) del controlador del aerogenerador (15) esta modificada por una función de transferencia (45) que modela retrasos entre el cambio de la referencia de potencia extra (32) y el cambio en la velocidad rotativa de la turbina, medido por sensores que comunican el valor al control del aerogenerador (17), así como el retraso asociado al filtrado de la velocidad rotativa de la turbina dentro del control del aerogenerador (17).

7- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, el bloque de emulación de inercia (17) comprende un bloque (33) que calcula el máximo decremento en la velocidad rotativa de la turbina que coincide con una predefinida pérdida de eficiencia aerodinámica.

8.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según la primera reivindicación, caracterizado porque el bloque de emulación de inercia (17) paraliza la adición o sustracción de extra de potencia (32) y cambio de velocidad rotativa de la turbina (26) cuando ocurre uno de los siguientes casos;

a) cuando el decremento de la velocidad rotativa de la turbina alcanza un

valor (40) que coincide con una predefinida pérdida de eficiencia aerodinámica (36).

b) cuando el decremento o incremento alcanza unos valores máximo y mínimo predefinidos de velocidad.

9.- Sistema de control de inercia para aerogeneradores, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bloque de emulación de inercia (17) determina un modo de operación opcional en el cual se limitan valores separados de K¡nertia para sobre-frecuencia y bajo-frecuencia de acuerdo con valores calculados que evitaran parar la adición o sustracción y el cambio en la velocidad rotativa de la turbina cuando la velocidad rotativa de la turbina se incrementa o decrementa alcanzando valores predefinidos máximo o mínimo de velocidad y una pérdida de eficiencia aerodinámica predefinida (40).

10.- Un parque eólico que consta de un sistema de control de inercia para aerogeneradores del tipo descrito en la reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un controlador de parque eólico (16) y al menos un aerogenerador (1)que comprende un rotor (5), un generador (12) dirigido por el rotor (5) que interactúa con un convertidor de potencia (13) para generar energía eléctrica, un controlador para el aerogenerador (15) que comprende un controlador de cambio de paso (19) de pala y un controlador de la potencia generada (18), un controlador para el convertidor de potencia (14) que ¡nteractúa con el controlador del aerogenerador (15) y caracterizado porque genera una señal de extra de potencia negativamente proporcional a la tasa de cambio de frecuencia que es añadido a la referencia de potencia del controlador de potencia generada del controlador del aerogenerador (15) y adapta la referencia de velocidad rotativa del controlador de aerogenerador (15) de acuerdo con la frecuencia de red (21) de cara a evitar distorsiones en la salida de potencia activa después de la adición o sustracción de potencia proporcional a la tasa de cambio de frecuencia.

11.- Un parque eólico según la reivindicación 10, caracterizado porque el controlador de parque eólico (16) comprende un elemento de emulación de inercia (20) que adapta dinámicamente referencias a los aerogeneradores Kinertiapar (60) de cara a conseguir que el parque eólico genere extra de 5 potencia negativamente proporcional a la tasa de cambio de frecuencia, siendo la constante proporcional la constante de inercia de parque eólico (50) multiplicada por dos.